麻省理工學院（MIT）及慕尼黑工業大學（TUM）的一組研究人員成功揭示了導致電池損耗的尖刺形成的具體原因，並找到方法予以阻止。研究發現，固態電池的樹枝狀晶體是由於電解質顆粒接觸邊界處的隱藏電氣失衡引起的。這些失衡會通過阻礙鋰離子和捕獲漏電來幹擾電荷傳導。研究團隊透過調整電解質的加工過程，成功減少了這些電氣陷阱，從而降低了電子漏電的現象。有趣的是，這項調整使材料的電流密度提高了 300%以上，這一飛躍可能實現更快充電及更長使用壽命的固態電池。
麻省理工學院材料科學與工程系教授哈利·塔勒（Harry Tuller）表示：「顆粒邊界就像天氣：大家都在談論，但卻沒有人採取行動。」他補充道：「在這篇論文中，我們決定針對顆粒邊界進行實質性的處理，通過這樣的行動，我們展示了性能的改善，並更廣泛地體現了顆粒邊界的重要性。」
研究揭示固態電池性能提升的關鍵因素
固態電池有望通過用固體陶瓷或塑料電解質取代鋰離子電池中的液體電解質，從而推動清潔能源革命。然而，由於樹枝狀晶體導致的短路問題，使得其實際應用進展緩慢。樹枝狀晶體是微觀的鋰金屬尖刺，像雜草一樣穿透固體核心，破壞其結構。固態電解質由數十億個緊密堆積的微米級單晶體或顆粒組成，這些顆粒之間被微觀的顆粒邊界所分隔。長期以來，人們懷疑這些邊界具有獨特的化學和電氣特性，能夠阻擋離子、漏電，並觸發短路的樹枝狀晶體。
但驅動這一破壞性相互作用的具體機制仍然完全未知。
塔勒表示：「顆粒邊界就像缺陷，這些邊界的缺陷水平高於顆粒本身，一般來説，這意味著當電荷載體接近邊界時，無論是電子還是離子，總會存在某種阻礙需要克服。」在這項新研究中，團隊通過建模分析局部電氣失衡如何在顆粒邊界幹擾電荷運動。此外，研究人員還對固態電解質材料鋰鋯酸鋰（LLZO）進行了電子顯微鏡、機器學習及先進光譜學的測試。結果顯示，邊界核心攜帶的局部電荷會阻擋鋰離子同時捕獲電子。
這種電子的積累減少了相鄰鋰離子的電荷，直接迫使其固化為有害的金屬樹枝狀晶體。
根據這些見解，研究人員調整了 LLZO 電解質的加工條件，以最小化顆粒邊界的負電荷。經過工程處理的電解質使鋰離子能夠輕鬆通過，同時有效地阻止電子的漏電。這項修正的效果非常好。新材料的關鍵電流密度比標準樣本高出 300%，且無樹枝狀晶體形成。對於日常消費者而言，這 300%的提升直接轉化為速度和壽命的增長，意味著電池能夠承受超快充電所需的大電流衝擊，並能夠持續多次而不會失效。
這些研究成果已發表於《自然納米技術》期刊。
項目 規格 電流密度提升 300%